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多样的激光雷达遥感技术应用
 
 
2017-03-30 20:18 编辑:文 / 王成(中科院遥感与数字地球研究所) 浏览量:4211人
 
 

 
 

近年来激光雷达技术发展迅猛,各类激光雷达系统不断推陈出新,功能上更趋完善,系统性能、使用的灵活性和方便性大幅提高,使用成本也在逐年降低。

 

与摄影测量相比,激光雷达在数据获取的形式(三维点云VS影像/照片)、方式(坐标匹配方式VS相对或绝对定向方式)、解析方式、测量精度以及对测量环境等方面区别较大,如摄影测量对环境光线、温度等要求相对较高、数据处理过程也相对复杂,因此激光雷达比摄影测量更具优势。因此,激光雷达应用遍及国民经济和社会发展的诸多领域,如地形测绘、工程测量、数字城市、林业资源调查、灾害监测、考古与遗传保护、数字电网等。


学问遗产应用

 

学问遗产数字化:地面三维激光雷达系统可以快速获取遗产表面、考古发掘现场等高密度、高精度的三维点云,全方位表达遗产的细节特征和三维空间结构,特别适于表面几何和纹理丰富的研究对象。这些信息是遗产/遗址数字化存档最基本的空间信息,地面激光雷达技术被认为是目前实现这一目标的最佳手段,我国已经开展了大量研究工作和工程实践:北京建筑大学对故宫主要建筑进行了精细数字化和三维建模;中科院遥感地球所对北京颐和园佛香阁和北京大学西门华表进行了整体扫描和变形监测等。

 

考古发现:传统遥感技术在植被覆盖地区的考古遗址发现方面成效甚微。机载激光雷达的发射脉冲能部分穿透植被到达林下,可获取林下地形的高密度点云数据,并经点云滤波去掉地表附着物(植被、构筑物等)激光点,从而获得林下地形的高精度、高空间分辨率的数字高程模型(DEM)。基于此,考古学家可发现古遗址及其空间格局,如城墙遗址、古道路、墓冢等,进而分析古遗址的景观、规模,甚至社会制度和生活方式等。2012年澳大利亚悉尼大学牵头组织了柬埔寨吴哥遗址及其周边森林区的机载LiDAR数据获取并制作了该地区高精度三维地图,发现了隐藏于吴哥窟北部库伦山区茂密森林下的众多古城遗迹,重绘了繁荣的吴哥古城。该发现不仅扩大了吴哥遗址的覆盖范围,而且将吴哥遗址的历史延长了350年。同时,利用林下精细三维数字地图分析吴哥古城曾经的城市道路网络、水系、农田分布格局以及城市扩张范围等,这些都是以往地面调查无法企及的。


数字城市应用

 

机载激光雷达获取建筑顶部的高密度点云,通过点云滤波/分类、提取建筑边界点云、边界规则化等,快速重建建筑三维模型,适于大区域数字城市应用。而地面三维激光扫描技术能够获取建筑表面完整的三维空间信息,如建筑侧面、内部、顶部等,并栅格化、提取面片点云、面片规则化以及纹理映射等数据处理,重建建筑物真三维数字模型,为数字城市建设提供数据和模型支撑。 


林业应用

 

林木参数如树高、胸高直径、冠幅等是研究森林生态系统生物物理过程的基本参数。ALS(Aerial Laser Scanning)技术可快速获取林区的高密度点云数据,经点云滤波分类、单木分割、点云特征提取以及参数模型构建等,提取或反演林木的高度、冠幅、叶面积指数、生物量、蓄积量等参数。相对ALS,地面三维激光雷达获取的林木参数更为精细,多作为真实值用于机载或星载遥感林业参数的精度验证。融合其他光学数据和地面观测数据,星载激光雷达已经被应用于区域或全球尺度的森林结构参数反演,如中科院遥感地球所制作的全球森林植被冠层高度分布图。 


灾害应用

 

利用地面三维激光扫描技术和GPS-RTK,获取灾害发生区域高密度激光点云数据、高分辨率影像及高精度地理坐标,通过一系列数据处理和模型构建,提取滑坡体面积、体积以及灾害风险信息;制作滑坡体俯视图、截面图,以及滑坡区域的三维模型,也可为潜在滑坡预测提供基础数据支撑。



(a)基于航空影像的数字正射影像(DOM,上)和基于机载激光点云的林下数字地面模型(DEM,下)



(b)DEM揭示的中世纪高棉帝国古城(绿色为已发现遗址,红色为LiDAR新发现遗迹)



中科院遥感与数字地球研究所办公大楼三维数字模型



2008年2月全球森林植被平均高度分布(500米分辨率)



电力线路走廊机载点云分类(绿色为植被,上部白色为导线和电塔)

 

电力应用

 

机载LiDAR电力应用主要是通过获取输电线路激光点云和高分影像,并进行点云去噪、点云滤波分类和信息提取,进行线路设计/规划,构建电力线、电塔、变电站等电力要素的三维模型,并可结合输电线路运行规范与环境参数设置进行输电线路的实时或综合工况分析,保障输电线路安全。如中科院遥感地球所开发的基于机载激光雷达电力巡线系统,实现了电力设施三维建模和浏览、危险点自动检测与预警、风偏/覆冰/增容等分析、自动生成报表等,已经被用于高压输电线路安全巡检的业务运行。 

 

移动测量技术正处于火热期,有活力,有市场。目前,国内涉足这一领域的企业越来越多。但目前,移动测量要真正实现产业化还比较困难,因为国产移动测量设备的稳定性需要进一步改善,后续数据处理和应用App的自动化程度还需要再提高,设备研制和应用成本也要降低,这样才能实现全国推广与普及。


编辑概况:

 

王成,1975年生于湖南慈利,现为中科院遥感与数字地球研究所研究员、博士生导师、数字遗产研究室主任,研究方向为激光雷达数据处理与应用。2005年获法国Strasbourg大学博士学位、2009年入选中科院“百人计划”。主持包括国家自然科学基金、973项目专题、中科院国际合作重点项目、国家电网科技项目等20余项,涵盖激光雷达遥感机理、数据处理与信息提取、电力线路安全巡检、森林参数反演、城市三维建模、学问遗产保护、灾害监测等研究领域。近5年发表学术论文70余篇(其中SCI论文33篇)、出版专著1部、申请国家发明专利4项、获得App著作权5项。开发了国内第一套免费的激光雷达数据处理App“点云魔方”;发起成立了国内第一个激光雷达学术组织“国际数字地球学会激光雷达专业委员会”;组织召开了“第一届全国激光雷达遥感大会”并已形成了全国性系列学术会议。主要社会兼职有国际数字地球学会委员、激光雷达专业委员会副主任委员兼秘书长、国家电网企业“电网工程航空遥感与线路智能巡检”重点实验室学术委员会委员等。

 

 

“点云魔方”激光雷达App


激光雷达数据处理App以芬兰TerraSolidApp最受欢迎,但费用较高。国产App“点云魔方(Point Cloud Magic,PCM)”由中科院遥感地球研究所王成研究团队开发并于2015年10月发布,是国内目前第一套完全免费的点云数据处理App。该App基于标准C++语言开发,可独立运行于windows平台,且采用插件化机制,扩展性强,目前包括基础平台模块、基础算法模块、建筑建模模块、植被应用模块、电力巡线模块、设备检校模块等,后续还将结合不同行业应用进行专业应用模块的开发。


此外,针对波形激光雷达数据的数据处理和应用,该团队还开发了“波形魔方(Waverform LiDAR Magic,WLM V1.0)”App,这也是国内目前第一套完全免费的波形激光雷达数据处理App,并于2016年8月免费发布,可从课题组网站(http://lidar.radi.ac.cn)下载使用。

 
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